1.4 立体声简介

1.4.1 立体声的概念

立体声系统是由两个或两个以上传声器、传输通路和扬声器（或耳机）组成的系统，经过适当安排，能使听者有声源空间分布的感觉。现在一般所说的立体声，实际上是对立体声广播、立体声录音和立体声重放的简称。

人有双耳，因而人们能够判断声源的方位和空间分布，也就是说，人耳具有感受立体声场的能力。这就是通常所说的双耳效应。

当我们收听一组大型管弦乐队演奏的转播时，如果声音转播系统只由一只传声器拾音（或由几只传声器拾音后混合在一起），经一个放大通道后由一只扬声器或由一组扬声器重放出来，就是所谓的单声道系统，如图1-8（a）所示。由于这时重放的声源近似一个点声源，因而不能反映出实际声场中管弦乐队各种乐器的方位和空间分布，与人们在演奏现场听声的效果有很大不同，也就是缺乏立体感。这是单声道重放系统的最大缺点。

为了获得有立体感的收听效果，人们最初曾试验将许多传声器排成一个平面垂直地布置在演奏现场舞台前面，将各只传声器分别连接到各自的放大器，然后将各放大器的输出分别与另一听声房间中排列成一个平面的同样数目的扬声器一一对应地连接起来。这样，在听声房间中听声时，可以获得与在演奏现场听声时非常近似的效果，能够分辨出各种乐器的方位和空间分布，也就是具有立体感。但随后发现，布置在演奏现场上方与下方的传声器实际作用不大，只要保留一排与乐器高度相当的传声器和一排与人耳高度相当的扬声器效果就已很好。当然，组成一排的传声器数目与相应的扬声器的数目越多，也就是声道数越多，效果就越好。但是声道数过多是不实际的。后来试验只用3个声道，效果就已足够好。这就是20世纪50年代宽银幕立体声电影所采取的方法。随后，进一步试验发现，用两个声道（双声道）也可以获得很好的效果，也就是后来的立体声唱片、立体声磁带录音和立体声广播所采取的方式。

双声道立体声传声系统如图1-8（b）所示。它和单声道系统相比，无论是在音质的改善还是在临场感的加强，以及如实地重现实际声场中各个声源的方位和空间分布方面都有极大的飞跃。但双声道立体声传声系统只是在听声者的前方重现出声源的方位和空间分布，还不是从四面八方建立起立体声场，所以目前已经从立体声向环绕声和3D全景声发展。在上篇中，我们只着重介绍立体声系统，有关环绕声的内容将在中篇中介绍。

下面我们先看一下人耳怎样对声源定位，然后再来看应当用什么方法来拾音和重放，可以使人们用双耳听声后获得立体感，从而达到高保真立体声重放的目的。

1.4.2 人耳对声源的定位

由于人们有双耳，所以除了对声音有响度、音调和音色3种主观感觉外，还有对声源的定位能力，即空间印象感觉，也可称为对声源的方位感或声学透视特性。

人耳之所以能辨别声源的方向，主要是因为下面两个物理因素：一是声音到达两耳的时间差，二是声音到达两耳的声级差。

除此之外，人们的视觉以及经验等心理因素也有助于对声源分布状态的辨别，但这方面在立体声拾音过程中是无法利用的。

如果声源在听声者右前方较远处发声，则到达听声者两耳的声音，由于距离不同，以及人头的掩蔽作用，就会产生时间差、相位差和声级差。下面分别加以说明。

1.声音到达两耳的时间差及相位差

如图1-9所示，假设人头为球形，在通过人的两耳与地面平行的平面内，声波的传播方向与头的正前方的夹角为θ。设球体的半径为a，则声波到达听声人左耳（L点）要比到达右耳（R点）多走一段距离LA+AB。由此可计算出声波到达两耳的时间差∆t为

式中，c为声音在空气中的传播速度。在1标准大气压、15℃时，c = 340m/s。

由式（1-1）可知，∆t与θ的正弦成正比。通常，两耳之间的距离是因人而异的，一般取2a = 21cm，则当θ= 90˚时，∆t=6.2×10−4s=0.62ms，为最大值。根据式（1-1）可以绘出∆t和θ之间的关系曲线，如图1-10所示。

由式（1-1），我们可以得到纯正弦声波在左右两耳产生的相位差∆φ为

式中，ω为纯正弦声波的角频率。

由式（1-2）可知，当ω比较小，即为波长较长的低频声时（例如，常温空气中，20Hz的声波波长为17m,200Hz的声波波长为1.7m），由时间差产生的相位差有一定数值，人耳可以根据它来判断出声音的方位；当ω比较大，即为波长较短的高频声时（例如，常温空气中， 10kHz的声波波长为3.4cm,20kHz的声波波长为1.7cm），由时间差产生的相位差甚至会超过360˚，这时人耳已无法判断相位是超前还是滞后，不能根据它判断声音的方位。所以，相位差只对低频声音有用。

通过对式（1-1）和式（1-2）的分析，我们可以得到如下结论。

① 声音到达两耳的时间差∆t与声源的方位角有关，可以根据它来确定各声源的方位。

② 声音到达两耳的相位差∆φ不仅与声源方位角有关，而且与声源的频率有关，可以根据它来确定低频声的方位。

2.声音到达两耳的声级差

如图1-11所示，由于人头对声波的衍射作用，即使声波传来的方向相同，由于频率不同也会对两耳造成不同的声级差。对高频声（f ＞3kHz），声波波长小于或等于头部尺寸，声波被人头遮蔽而不能衍射到左耳，所以到达左耳的声音很小，形成阴影区。声源偏离中轴线越多，或者频率越高，两耳间的声级差越大。

通过分析不同频率时两耳间的声级差可得出下列结论。

① 对于从正前方附近（θ为0˚～40˚）或正后方附近（θ为160˚～180˚）传到听声者处的声音，两耳间的声级差随声源方位角θ 的变化较大，即声源变化一个角度时，声源在两耳间产生的声级差变化较大，也就是曲线斜率变化较大，所以人耳对正前方（或正后方）附近声源方位变化的反应比较灵敏，或者说定位能力较强。

② 根据试验，当声源频率f =300Hz的声源由正前方移动到后方时，右耳的声级变化小于2dB，左耳的声级变化小于4dB，由声源方位变化产生的两耳的声级差最大约为4dB；当声源频率f =6 400Hz时，这一差值可达25dB。所以，对300Hz以下的低频声，声源在两耳间所产生的声级差随声源方位角θ 的变化很小，即双耳对低频声的定位能力较差。但随着声源频率的增高，两耳间的声级差逐渐增大，对声音定位的能力也逐渐增强。

1.4.3 双扬声器听声试验

前面所讨论的是一个声源在不同方位时使人们产生的听觉印象，下面讨论有一定关系的两个声源使人们产生的听觉印象。

将两个声源左右对称地布置在听声者面前，并发出相同频率信号，如图1-12所示，扬声器YL和YR为两个声源，并设两只扬声器的距离等于听声者与两只扬声器连线中心的距离。图中θ为扬声器对听声者的半张角，约等于27˚。

当馈给两只扬声器相同频率的信号，并且两只扬声器发出的声级相等时，如果两只扬声器所发声音在听声者处没有时间差，听声者将只感觉到在两只扬声器中间有一声像，即虚声源存在，而并不会感觉到是两个扬声器在发声。

1.两只扬声器只有声级差而无时间差时

对两只扬声器只有声级差而无时间差的情况进行研究后，可以归纳出下面的结论：如果使其中一个扬声器增大发声的声级，则声像将由中间向较大声级的扬声器方向偏移，偏移量与两只扬声器的声级差∆I的关系如图1-13所示。当声级差超过15dB时，声像就会固定在声级较大的扬声器一边。

2.两只扬声器只有时间差而无声级差时

对两只扬声器只有时间差而无声级差时的情况进行研究后，可以归纳出下列两点结论。

① 设法使在听声者处两只扬声器传来的声音有时间差，但到达听声者处的声级仍相等。可以将图1-12中的扬声器YR向后移到虚线所示位置，使YR传来的声音滞后于YL传来的声音，并且调整扬声器YR所发声音的声级，使到达听声者处声级与扬声器YL传来的声级相等。这时听声者会感到声像位置向未延时的扬声器YL方向偏移，并且偏移量与两扬声器到达听声者处的时间差有关。当时间差小于3ms时，声像位于正前方与未延时扬声器之间；当时间差大于3ms而小于30ms时，声像就会固定在未延时的扬声器一边，而感觉不到延时扬声器的发声；当时间差大于30ms而小于50ms时，听声者会感到延时扬声器的存在，但仍会感到声音来自未延时扬声器；当时间差大于50ms时，听声者会感到延时扬声器所发出的另一清晰的声音，即产生回声的效果。

② 当时间差大于3ms而小于50ms时，声像在未延时扬声器一边，延时声的作用只是加强了未延时声音的强度，使听声者感到声音更加丰满。

3.两只扬声器既有声级差又有时间差时

如果两只扬声器发出的声音在听声者处既有声级差又有时间差时，那么，它们的综合作用就将使声像偏移增大或减小。适当选取时间差和声级差，可以使两者的作用完全抵消，使听声者感到声像的位置仍在两扬声器连线的中间。图1-14所示为声级差与时间差产生相同效果时两者之间的关系。可以看出：当∆I小于15dB时，∆t小于3ms时，它们之间基本上呈线性关系，即1ms时间差相当于5dB声级差。

4.双声道立体声的正弦定理

由上面的讨论可知，通过控制左、右扬声器所发声音的强度，就可使听声者在听觉上产生方向感。图1-15所示的左、右扬声器YL和YR的特性完全相同，听声者位于两只扬声器的中分线上，θ为扬声器的半张角，θI为声像方位角。

对YL和YR所发声音的强度IL、IR与θ和θI之间的关系进行研究后，得出近似公式

式中，f≤700Hz时，K=1;f ＞700Hz时，K=1.4。

式（1-3）称为双声道立体声正弦定理。

1.4.4 双声道立体声的拾音

立体声广播或立体声录音时对立体声节目信号的拾音方式，在双声道立体声系统中可分为仿真头方式、AB方式以及声级差方式（又可分为XY方式和MS方式）3种。

1.仿真头方式

仿真头是用塑料或木材仿照人头形状做成的假头，直径约18cm。在仿真头的两耳内部也做成耳道，并在左右耳道末端分别装有一只无指向性电容传声器，将它们的输出分别作为左右声道信号。由于仿真头中左右传声器所拾得的信号与人耳左右鼓膜所得的声音信号是很近似的，所以也存在声级差、时间差和相位差等。当将它的左右声道信号分别经放大器放大后，送到立体声耳机的左右单元中使人听声时，就相当于听声者处在仿真头所在的位置听声。

仿真头方式立体声系统的临场感和真实感是很好的。但是用耳机听立体声时，会呈现头中效应，也就是听声者会感到声像出现在头中两耳的连线上或在头顶上。

仿真头方式立体声在20世纪70年代高保真立体声耳机出现以后才得到了发展。现在有些国家的立体声广播就采用这种方式。立体声唱片也有采用这种方式的。

2.AB方式

AB拾音方式是将两只彼此相距为1.5～2m（也可减小到几十厘米，视声源排列宽度而定）、特性完全相同的心形指向性传声器置于声源前方，分别拾音后作为左右声道信号输出。

使用这种拾音方式，当声源不在两只传声器平分线上时，声源到达两只传声器的路程是不同的。因此，每只传声器拾得的信号既有声级差又有时间差（即相位差），而相位差是随声源的频率改变的。所以，如果将左右信号合起来作单声道重放时，就必然会产生相位干涉现象，使有的频率左右信号相位相反而抵消，有的频率左右信号相位相同而加强，使输出信号强度随频率产生变化。例如，声源距两只传声器的距离差为34cm，则声源到达两只传声器的时间差为1ms。对1 000Hz声音，因波长刚好是34cm，所以到达两只传声器的声波相位相同，两者相加时，声音增强；对500Hz声音，因波长为68cm，而34cm刚好是半个波长，所以到达两个传声器的声波相位相反，两者相加时，声音抵消。从频谱上看，会形成与“梳状滤波器”相似的现象，如图1-16所示，使声音听起来不悦耳。

3.声级差方式

声级差拾音方式是将两只传声器一上一下靠紧组成一对，而两者的主轴形成一定角度，各方向声源传到两只传声器的直达声几乎没有距离差，因而只有声级差而没有时间差。所以，当将用这种拾音方式拾得的信号合成为单声道重放时，就不会产生相位干涉现象。根据使用的传声器类型和所朝向的方向不同，可以将声级差方式分为XY和MS两种方式。

（1）XY方式

XY方式立体声拾音法所用的两只传声器必须是相同类型并且特性一致的传声器，例如两个心形或两个“8”字形传声器。两只传声器主轴夹角可以是90˚，也可以增大到120˚，视拾音范围而定，两主轴分别与正前方形成相等的夹角。拾音时，指向性主轴朝向左边的传声器输出的信号送入左声道，指向性主轴朝向右边的传声器输出的信号则送入右声道。

（2）MS方式

MS拾音方式也是用一上一下相靠很近的两只传声器，它的一只传声器（M）的指向性主轴对着拾音范围的中线，而与之正交的传声器（S）的指向性主轴则对着两边。因此，M传声器拾取的是中间的总的声音信号，即左右的和信号，而S传声器则拾取旁边方向的声音信号，即左右的差信号，如图1-17所示。

通常M多采用心形、“8”字形或无指向性的传声器，而S则使用“8”字形指向性的传声器。

由于M、S两只传声器的信号必须进行和差转换才能成为左、右声道的信号，因此在MS立体声中，必须使用变换电路，如图1-17所示。

4.多声道录音的拾音

目前，歌曲、舞蹈音乐等的立体声录音大多采用多声道录音法。这种方法是在一个混响时间很短的大型录音室中进行的。通常将大型录音室用隔音板隔成若干个小房间，并将乐队按照乐器的类型分为若干组，例如分为小提琴组、打击乐器组等，每个组分别在一个小房间中演奏，由各自的传声器拾音后经调音台控制并放大，然后送往多声道录音机，分别记录在磁带或其他介质声迹中。通常的多声道录音机可以记录16个或24个声迹。

录音时，演员要头戴耳机，通过耳机使演员不仅能听到自己演奏的声音，同时还能听到其他乐器组演奏的声音，也就是整体的声音，以便使演奏能步调一致，融合成一体。

多声道录音机也可以单独用来记录一条声迹或重放一条声迹的录音。所以对一首乐曲，既可以一次录制完成，也可以先录制乐曲的节奏声，然后再分别让各种乐器组的演员头戴耳机按照节奏声来演奏，即经多次录音，然后再通过后期加工，得到完整的节目。

在后期加工时，可以对各声道的声音分别进行必要的延时，也可以加入适当的人工混响，或者对某些频率进行补偿。在最后合成两声道立体声时，将每一声道乐器的信号通过调音台上的声像电位器，按不同比例分配到左右声道中，这样就可以将各种乐器人为地定位在某一方位，使整个乐曲经两声道重放时获得层次分明、立体感强的立体声。当然也可以通过旋动声像电位器使某一乐器组的声音忽左忽右地移动。

声像电位器是由两个电位器组合而成的，两者严格地同轴转动。如图1-18所示，当一个电位器的阻值按正弦函数增加时，另一个的阻值则按余弦函数减小，两者的阻值决定了分配给左右声道的电压UL和UR。

UL=U0cosθ

UR=U0sinθ

式中，U0为输入电压，θ为声像电位器转动的角度。由于每个声道的输出功率与电压平方成正比，所以，sin2θ+cos2θ =1，就是说，无论θ为何值，左右声道输出的功率之和为一定值。

这种将许多单声道录音人为地合成两声道立体声的方法有许多优点。

① 各乐器组可以互不干扰，使录下的声音层次分明。

② 不用所有演员都同时演奏，录音安排可以比较灵活。例如歌唱演员可以在他方便的时候先录下歌声，以后再配伴奏。

③ 可以将每组乐器的录音处理得更细致，使效果更加理想。

④ 如果某一乐器组演奏中有失误的地方，或乐谱中对某一乐器需要有小的修改时，可以只重录这一乐器组的声音。

⑤ 可以做到由一个歌唱演员唱几重唱，也可以由一个演员演奏几种乐器。这在舞台上是不可能的。

对于古典音乐，由于其要求融合感强，所以不用多声道录音方式。

1.4.5 双声道立体声的听音

重放立体声时的最佳听音位置是在以左右扬声器连线为底边的等边三角形的顶点A处，如图1-19所示。当左右扬声器发出的声音声级相同时，在顶点A处听音，声像就定位在两只扬声器的中央。当左右扬声器声级不同时，声像将向声级高的扬声器方向移动。另外，如果左右扬声器传来的声波有相位差，即使声级相同，声像也会移动。

如果偏离最佳听音位置听音，则声像都将向偏离的方向移动，立体声效果就会减弱。